2014年05月29日08:44
【新聞鏈接】
生物電子誕生（一）生物體內的寶藏，將帶來控制、傳感器和節能革命
在能源領域，模仿植物光合作用的人工光合作用相關研究備受關注。因為這樣不僅能削減二氧化碳，還可以生成甲酸和甲烷等能源物質。另外，利用昆虫的體液和微生物發電的特色燃料電池也已問世。
隨著降低環境負荷方面的需求日益高漲，利用自然界中的生物、以完全不同於以往的全新方法獲得能源的研發愈發活躍。
其中受到關注的主題是，模仿植物通過水（H2O）、二氧化碳（CO2）和陽光生成有機物的這種光合作用的“人工光合作用”。人工光合作用能夠削減導致溫室效應的二氧化碳，可獲得作為能源使用的有機物，而且不會排放有害物質，因此全球都在積極推進研發。2013年6月在大阪市立大學內設立的“人工光合作用研究中心”就是其中之一注1）。該研究中心的研究核心是由該中心的副所長、大阪市立大學復合尖端研究機構教授天尾豐等人的研發小組推進的、採用藻類和?的人工光合系統注2）。
注1）所長是大阪市立大學復合尖端研究機構教授神谷信夫。
注2）天尾被選為日本科學技術振興機構（JST）戰略性創造研究推進事業個人型研究的帶頭研究員。
利用藻和?實現人工光合作用
光合作用的第一階段是利用光能分解水、產生質子（H+）和電子（e-）的氧化反應，。第二階段是質子和電子還原二氧化碳、生成有機物。天尾等人的目標是，通過在氧化反應中利用“螺旋藻”、在還原反應中利用多種?，來實現高效率的人工光合作用（圖1）。
 |
|
圖1：利用藻類和?進行人工光合作用 大阪市立大學的研發小組正在開發利用藻類和?的人工光合系統。使從螺旋藻中分離出來的光合作用器官附著在氧化反應的電極上，生成電子和質子（a）。而還原反應的電極上使用?。?的種類不同，可生成的能源也不同，已成功生成了甲酸（b）。（圖由《日經電子》根據大阪市立大學的資料制作） |
具體來說，是將從螺旋藻中分離出的“類囊體膜”附著在氧化反應用電極（氧化電極）氧化鈦上，類囊體膜在光合反應中承擔著核心作用。採用螺旋藻是因為其繁殖速度快，方便作為材料使用。
還原反應用電極（還原電極）採用ITO（氧化銦錫），在ITO上貼上“電子轉移分子吸附膜”，然后再將?附著在其上。電子轉移分子吸附膜的作用是轉移電子、固定?。
為了生成甲醇（CH3OH、CH4O），天尾打算使用3種?。首先利用“甲酸脫氫?（FDH）”從二氧化碳中生成甲酸（HCOOH），然后利用“醛脫氫?（Ald-DH）”將甲酸制成甲醛（HCHO、CH2O），最后利用“醇脫氫?（ADH）”將甲醛轉換成甲醇。目前已經成功生成了甲酸，用射入的光能除以生成的甲酸中具備的能源所得的轉換效率達到了百分之零點零幾。
不過，這一效率隻有植物光合作用的1/10左右，因此，今后計劃改善氧化反應和還原反應，提高轉換效率。還原反應方面，估計可通過改變電子轉移分子吸附膜的材料來提高反應速度。
而氧化反應方面，有通過聚集太陽光來提高單位面積的光強度、從而提高效率的方法。不過，由於類囊體膜為有機物，因此光強度過強的話會使之出現劣化。
利用無機物實現與植物相差不多的效率
還有不使用有機物、隻利用無機物來實現氧化反應，以解決氧化反應存在的課題的研究。目前，在這方面的研究中走在前面的企業之一是鬆下。
鬆下在氧化電極採用半導體、在還原電極採用金屬類材料作為催化劑。由於利用了半導體、增強光強度也不會劣化，因此可制作聚光型人工光合系統。而且這種方式的轉換效率本來就比較高。
氧化電極採用GaN系半導體、還原電極採用In系金屬材料生成甲酸時，轉換效率達到了0.2％，與植物光合作用差不多。
為了高效率生成甲烷（CH4），目前正在改進氧化電極和還原電極。甲酸雖然可用於儲氫，但不能直接用作能源。而甲烷則可作為燃料使用。不過，甲烷比甲酸更難制備，因為在還原二氧化碳時，需要更多的電子和質子。為此，鬆下目前正在針對兩種改善措施進行試驗。
第一種措施是，氧化電極的半導體除了GaN系半導體外，還追加了硅的pn結層（圖2）。GaN的帶隙較廣，能在高能量狀態下激發電子，但隻對紫外光等波長較短的光發生反應。因此追加了對可見光也會發生反應的硅pn結層。
 |
|
圖2：通過利用無機物的人工光合作用生成甲烷 鬆下的人工光合系統在氧化反應電極採用半導體元件，在還原反應電極採用金屬（a、b）。為生成甲烷，開發了組合使用GaN和硅的半導體元件，而且還原電極利用了銅（c）。由於是無機物，還能通過聚光來增加生成的能源物質的生成量（d）。（圖由《日經電子》根據鬆下的資料制作） |
第二種措施是，在還原電極利用銅（Cu）類材料。從二氧化碳生成甲烷要經過多個階段的反應，採用銅類金屬可控制一氧化碳的吸附等，有助於生成甲烷。
不過，生成甲烷的效率隻有0.04％，比甲酸還低。現在的目標是2015年度內將其效率提高到與甲酸差不多（0.2％）的水平，為此將進一步改進技術。（未完待續 作者：根津禎、中道理，日經技術在線！供稿）
